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2013D题射频宽带放大器全国一等奖设计方案

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标签：射频宽带放大器

四级增益放大，中间程控衰减

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2013 年 D 题射频宽带放大器全国一等奖设计方案 1 2 以下资料摘录自胡仁杰等2013 江苏赛区全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编M南京：东南大学出版社，20147 设计方案一全国一等奖东南大学学生：廖振星等，指导老师：郑姚生等一系统构成根据该题的各项技术指标要求，采用宽带宽低噪声高增益的程控放大器是本题的重点，也是确定方案时需要综合考虑的问题为了满足高增益宽带宽的要求，该设计需选择高增益带宽积的放大芯片，同时注意阻抗匹配为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的增益频率变化特性能互补而平坦的芯片为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声，并在各级中减少噪声的带入综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增益放大第二级和第三级都是程控增益控制，以实现高增益宽带宽和增益可变的平衡第四级采用电流反馈放大器进行功率放大 3 系统框图如如图 D11 所示示 ......

2013

年

题射频½带放大器

全½一等奖设计方案

以下资料摘½自“胡仁杰等.2013 江苏赛区全½大学生电子设计竞赛优秀½品设计报告选

编[M].南京：东南大学出版社，2014.7”

设计方案一

（全½一等奖东南大学学生：廖振星等，指导老师：郑姚生等）

一、系统构成

根据该题的各项技术指标要求，采用½带½、½噪声、高增益的程控放大器是本题的重

点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益½带½的要求，该设计需选择高

增益带½积的放大芯片，同时注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片；

为了保证带½内的平坦，

需要选择在固定放大倍数下通频带½够保持平坦，

或是多级之间的

增益频率变化特性½互补而平坦的芯片；

为了满足½噪声要求，

从第一级开始就需抑制噪声，

并在各级中减少噪声的带入。

综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增

益放大；第二级和第三级½是程控增益控制，以实现高增益、½带½和增益可变的平衡；第

四级采用电流反馈放大器进行功率放大。

系统框图如

D‐1‐1

所示

如图

示。

（1）

）前级放大模

模块的论证与

与选择

A657

方案

1：

用

OPA657

½为

½用

为第一级放大按照该芯片手册的说明，

大，

在＋7 倍增益时，

OPA

的增

增益带½积高

1.6 GHz，

是高增益带

高达

带½积，½扰

扰动的电压反

反馈型放大器

器。在单级½够保

证带

带½和精确度

度的情况下放

放大小信号，完全满足题目

100 MHz

带

带½的要求。

。

方案

2：½ OPA846

或

OPA847

芯

½用

芯片，这两种

种芯片性½相

相近，½是具

具有超½输入电压

电流

流噪声，超高

高增益带½积

积的芯片，OP

PA846

在放大

倍的情况

大

况下，有

400 MHz

的带½，

而

OPA847

具有

3.9 GHz

的增

增益带½积，且两种芯片

片的输入电压

压噪声也极½

½，½有效压制噪

声。

我

经实践，们发现

OPA6

满足带½

100 MHz

的要求，

657

的

.8nV/√Hz

的

的输入电压噪声难

以压

压制，无法达

60 dB

条件

达到

件下，输出噪

噪声峰峰值小

100 mV

的要求，而

OPA846

具有

1.2

小于

有

同时增益带½

nV/

√Hz．入噪声电压，

的输入

OPA847

具有

0.85 nV/√Hz

噪声电压，

½积为

3.9 GHz，

适合

合高倍数放大

大，满足题目要求。为½求更高指标，

，选用

OPA8

847，所以采

采用方案

2。

（2）

）中间程控放

放大级的论证

证与选择

产生‐2V~0V 的控

方案

1：采用

用单级

VCA8

进行程控

810

控放大，单片

片机输出电压

压经过反向，产

制电

电压，实现单

单级‐40 dB 到＋40 dB 的增

增益变化。½

½理论固定带½只有

35 M

MHz，难以达

到拓

展部

部分所有技术

术指标的要求

求。

方案

2：½用

用精密电½器

器改变放大器

器的反馈电阻

阻实现增益可

可调，½会给

给电路系统带来干

扰，且在高频时

时，电½器产

产生电容效应，½得增益不

不够平坦。

方案

3：

用½带程控集

½用

集成放大器。

利用

VCA822

进行程控放

放大，

VCA822

在增益为

10 dB

时带

带½达到

150

MHz，控制

制电压在‐1~＋

＋1V，需要对

对单片机的控

控制信号进行

行电平移动，较为

繁琐利用

VCA8

进行程控

琐。

820

控放大，

820

的性½和

VCA822

相似，

VCA8

和

只是控制

制电压为

0~2

2 V。

如选

VCA821, VCA821

与

选用

VCA820

兼容，控制电压也

也一致，在放

放大两倍的小

小信号情况下

下，带

½达

710 MHz

达到

z，完全满足

题目要求。

因此我们选

选用方案

中

VCA821，

且采用两级

中的

级级联的方式

式，在增大可

可调范围的同时，

保证

证中间级有足

足够的带½。

（3）

）后级电压放

放大模块的论

论证与选择

方案

1：

用电流反馈放

利用

放大器

THS30

½为末级

091

级功放带动

50Ω负½½， HS3091

为电流反

馈放

放大器，没有

有严格的增益带½积，比较

较适合高频设

设计，另外电

电流反馈放大

大器的优点是输出

电流

流大。

方案

2：选用

用电流反馈放

放大器

OPA6

½为末级

695

级功放，根据

据数据手册，O

OPA695

在放

放大

倍的

的情况下，仍

仍然具有

450 MHz

的增益

益带½，且输出电压½达到

4.2 V。

到土

方案

3：选

用电压反馈型

型放大器

PA847

放大

倍，OPA8

具有

3.7 GHz

的增益带½

积，且经过计算

算，OPA847 完

完全½接

Ω负½½，达

真有效

达到

效值输出。

通过对比实

实验发现，3 个

个方案½½满

满足带½要求

求，½在带负

负½½½力上，方案

更½

½有效

满足

足题目的所有

有要求，因此

此我们选用方案

1。

二、放大器增

增益带½积分

分析

电压反馈型

型运算放大器

器的增益和带½之间存在一

一定的关系，

，增益越高，带½越窄，增益

带½

½积：BW·A

Av＝常数，所

所以在放大器

器设计时，应

应在增益和带

带½之间进行

行折中的选择

择。按

照题

题目发挥部分

分的要求，信

信号通频带为

0.3~100 MH

Hz，最大电压

压增益

Av > 6

60 dB，则最

最小的

增益

益带½积为：

100 M x 100

00＝100 GHz

。

电流反馈型

型（CFB）运算

算放大器的开

开环响应是输

输出电压对输

输入电流的响

响应，与电压反馈

型运

运放不同，电

电流反馈运放没有恒定的增

增益带½积，随着频率的

的增加，它可

可以在较½的频率

范围

围内保持高增

增益。

½这是以

以牺牲反馈电

电阻的选择范

范围为代价的 ½设计特定

的，

定的放大倍数

数时，

应根

根据所选用芯

芯片的数据手

手册中提供的数据选择特定

定的阻值。

本系统采用

OPA847

的

用的

的增益带½积

3.9 GHz , VCA821

的

积是

的带½在小信号时为

710 MHz,

大信

信号时为

320 MHz，½是

½带运放，符

符合设计需要

要。

（1）

）增益分配的

的计算

题目中要求

求系统增益在

0}60dB

可调

在

调，带½为

00 MHz

以上

上，1 mV 真有

有效值输入时

时最大

真有

有效值输出幅

幅度大于

1V。

由以上分析

析，该系统共分

分为四级。第

第一级采用

OPA847

构建同相

放大

大器，考虑到

到第二级输入

入大于

200 mV

易失真，因

因此第一级输

输出信号幅度

度不宜过大，所以

该设

设计的第一级

级放大

倍，获得

18.05 dB

左右的增

增益，第四级

级放大

倍，获得约

13.98 dB

的增

增益，中间两

两级串联程控

控级可调范围为‐40

dB~＋

＋30

dB，所以

以系统总增益

益实现了

0~60dB

可调

调。

（2）

）带½计算

图

D‐1‐2

方框中标明了各

各级的增益分

分配，以及计

计算出每级的

的最大通频带

带的上限频率

率。系

统通

通频带由三级

级放大电路共

共同决定。满足

0.3~100 M

的通频带

MHz

带要求。

（3）

）频带内增益

益起伏的控制

制

经过上面合

合理分配各级

级增益，½得各级带½满足

足要求，四级

级级联后，1

1~80 MHz

内增益

起伏

伏小于

1 dB。

为了½可½

½排除其他因素

素½响增益起

起伏，选用极

极½电压噪声

声芯片

OPA84

为第

第一级放大，并调节直流

流偏½。最终达到

1~100 M

内增益起

MHz

起伏为

0.9 dB

左右。

三、功½及技

技术指标实现

现方法

（1）

）前级放大电

电路

第一级的½

½用主要是进

进行阻抗匹配和噪声抑制，

，所以信号输

输入端加了

50Ω电阻接

接地进

行匹

匹配，并且½

½用屏½线连接

接信号源，从

从而达到阻抗

抗匹配和抑制

制噪声的½用

用。而电路本身又

必须

须具有高信噪

噪比，并½量减

减少噪声的带

带人，尤其是

是电源方面，除了采用在

在总电源人口端用

大电

电容进行滤波

波外，还在芯

芯片的电源入口处加了

0μF

和

0.1μ

电容进行

μF

行滤波，并且

PCB

且

布局

局及布线时，将电源和信号层布在不同

同层上，地线

线布½时，信

信号地也½量

量远离电源地

地。所

以第

第一级需要花

花精力去做精

精做½。

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